CN114121647B - 一种提高化学机械研磨效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高化学机械研磨效率的方法，其可降低消耗，同时可减少研磨时间，提高研磨效率，该方法基于化学机械研磨设备实现，向化学机械研磨设备的研磨垫中分步添加研磨液、具有抑制作用的添加剂，通过分步添加的研磨液、研磨液与添加剂的混合液，对待研磨部件的不同介质层进行依次研磨，不同介质层包括至少两层：第一介质层、第二介质层，对待研磨部件进行依次研磨的步骤包括：S1、向研磨垫中添加研磨液，通过研磨液对第一介质层进行研磨，S2、第一介质层研磨完成时，向研磨垫中添加添加剂，使添加剂与研磨液混合，形成混合液，通过混合液对第二介质层进行研磨。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体为一种提高化学机械研磨效率的方法。
背景技术
随着半导体制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻技术对晶圆表面的平坦程度的要求越来越高，目前常用的提高晶圆表面平坦度的方式为化学机械研磨（即CMP），化学机械研磨也称化学机械抛光，其主要利用纳米级粒子的物理研磨作用与化学腐蚀作用有机结合的加工方式，对集成电路器件表面进行平滑处理，以达到平坦度要求。当前通过CMP工艺对集成电路中晶圆表面进行高精度打磨，可达到全局平整落差100A°~1000A°（相当于原子级 10~100nm）超高平整度。
采用化学机械研磨设备对晶圆进行研磨时，需首先将表面第一介质层磨掉，再依次研磨其余介质层，严格控制相应介质层的研磨速率，才能确保晶圆能够得到一个更好的平坦化效果，从而阻止晶圆被继续研磨下去导致研磨过度，大大增加了工艺窗口，但目前常用的化学机械研磨工艺存在研磨速率低或过研磨的问题，原因在于：现有研磨工艺的主流作业方式是采用同一研磨液对晶圆的不同介质层进行研磨，但由于各介质层的材质不同，导致同一研磨液对不同介质层进行研磨的研磨速率不同，采用预先配置好的研磨液进行研磨时，对于需要减慢研磨速率的介质层研磨会起到较好的研磨控制作用，而对于需要快速研磨的研磨层，则存在研磨速率低的问题，从而影响了整体研磨速率的提升。
发明内容
针对现有技术中存在的化学机械研磨速率低或过研磨的问题，本发明提供了一种提高化学机械研磨效率的方法，其可降低消耗、减少研磨时间，提高研磨效率，同时可防止不同介质层被过研磨。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高化学机械研磨效率的方法，该方法基于化学机械研磨设备实现，其特征在于，所述化学机械研磨设备用于对待研磨部件的不同介质层进行研磨，所述不同介质层包括至少两层：第一介质层、分布于第一介质层下表面的所述第二介质层，所述方法包括：向所述化学机械研磨设备的研磨垫中分步添加研磨液、具有抑制作用的添加剂，通过分步添加的研磨液、研磨液与添加剂的混合液，对待研磨部件的不同介质层进行依次研磨，对所述待研磨部件进行依次研磨的步骤包括：S1、向所述化学机械研磨设备的研磨垫中添加研磨液，通过所述研磨液对所述第一介质层进行研磨；
S2、所述第一介质层研磨完成时，向所述研磨垫中添加所述添加剂，使所述添加剂与所述研磨液混合，形成所述混合液，通过所述混合液对所述第二介质层进行研磨。
其进一步特征在于，
步骤S1中，所述研磨液添加时的流量范围为150ml/min~200ml/min；
步骤S1中，通过控制器控制第一电磁阀打开，使所述研磨液通过所述第一输送管道输送至所述研磨垫内，此时，所述第二电磁阀处于关闭状态，通过所述第一电磁阀的打开程度控制所述研磨液的流量；
优选的，在步骤S2中，所述抑制剂添加时的流量范围为100ml/min~150 ml/min；
步骤S2中，通过所述控制器控制第二电磁阀打开，使所述抑制剂通过所述第二输送管道输送至所述研磨垫内，此时所述第一电磁阀同时处于打开状态，所述研磨液与所述抑制剂同时输送至所述研磨垫后混合，混合过程中，通过所述第二电磁阀的打开程度控制所述抑制剂的流量；
优选的，所述待研磨部件为晶圆，所述晶圆的第一介质层、第二介质层分别为研磨层、截止层；
优选的，所述研磨液包括研磨颗粒CeO2、氨基酸；
优选的，所述抑制剂包括多元醇；
优选的，所述多元醇选自乙二醇(EG)、1，2-丙二醇(1,2- PG)、1，4-丁二醇(BDO)、1，6-己二醇(HD)、新戊二醇 (NPG)、二缩二乙二醇(EG·)、一缩二丙二醇(I)(PG)、三羟甲基丙烷(TMP)、甘油中的至少一种；
优选的，所述研磨台的转速为63 RPM，所述研磨头的转速为57RPM；
所述研磨层的厚度为400nm~500nm；
所述研磨层的材料为二氧化硅；
所述截止层的厚度为40nm；
所述截止层的材料为氮化硅；
所述研磨层的研磨时间为2min；
所述截止层的研磨时间为30s。
本申请上述研磨方法中，通过对研磨液、抑制剂的分步添加，实现待研磨部件的不同介质层的依次研磨，具体研磨步骤中，首先采用研磨液对第一介质层进行研磨，再采用研磨液与添加剂的混合液（即第二研磨液）对第二介质层进行研磨，采用研磨液对第一介质层进行研磨时，不受添加剂的抑制作用影响，在保证研磨效果的同时，大大提高了研磨层的研磨速率；而在对第二介质层研磨时再加入添加剂，添加剂具有抑制作用，在保证对第一介质层进行研磨的同时，使第二介质层不容易产生化学反应，防止了第二介质层被过研磨。相比于使用同一研磨液对不同介质层进行研磨的方式，提高了研磨速率、降低了材料消耗和投入成本，同时防止了不同介质层被过研磨。
一种用于上述化学机械研磨效率方法的化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备包括转动的研磨台、固定于研磨台顶端的研磨垫、在研磨垫的上方转动的研磨头，待研磨部件安装于所述研磨头，所述研磨垫的上方设置有输送管道，其特征在于，所述输送管道包括至少两根：第一输送管道、第二输送管道，所述第一输送管道、第二输送管道分别用于输送研磨液、添加剂，每个所述输送管道内均安装有阀门，所述阀门用于对所述研磨液、添加剂的输送顺序、流量进行控制。
其进一步特征在于，
优选的，所述添加剂为抑制剂；
优选的，所述第一输送管道、第二输送管道的出口端均与所述研磨垫的中部对应，研磨液、添加剂在研磨台的转动离心力作用下由中部均匀扩散至整个研磨台；
优选的，所述阀门包括第一电磁阀、第二电磁阀，所述第一输送管道、第二输送管道上分别安装第一电磁阀、第二电磁阀，所述第一电磁阀、第二电磁阀均与控制器电连接；
所述研磨台通过第一驱动装置驱动，所述研磨头通过第二驱动装置驱动；
所述第一驱动装置、第二驱动装置分别为第一伺服电机、第二伺服电机，所述第一伺服电机、第二伺服电机均与所述控制器电连接；
优选的，所述化学机械研磨设备还包括终点检知***，所述终点检知***用于检测所述晶圆的截止层是否被研磨至预期平面，若被研磨至预期平面，则关闭所述第一电磁阀、第二电磁阀，停止输送所述研磨液、抑制剂；
优选的，所述终点检知***包括电流传感器，所述电流传感器分别与微处理器、第二驱动装置电连接，通过所述电流传感器检测所述抛光头电机的驱动电流，根据驱动电流的变化情况判断是否研磨至所述晶圆的截止层的预期平面，具体判断方式包括：A1、通过电流传感器检测所述第二驱动装置的驱动电流；
A2、预先建立研磨系数与所述驱动电流的关系，确定电流阈值；
A3、当检测到的驱动电流大于预先确定的所述电流阈值时，所述微处理器发送信号给所述控制器，所述控制器控制所述第二驱动装置停止，所述研磨头停止研磨，同时所述控制器控制所述第一电磁阀、第二电磁阀关闭，停止输送所述研磨液、抑制剂。
本申请的化学机械研磨设备包含有至少两根输送管道，通过不同输送管道与阀门配合，对研磨液的输送顺序及流量进行控制，能够实现研磨液、添加剂的分开投入，研磨液、研磨液与添加剂的混合液分别用于实现不同介质层的研磨，进一步避免了采用同一研磨液对不同介质层研磨导致整体研磨速率低的问题出现。
附图说明
图1为化学机械研磨设备中的部分结构示意图；
图2为对晶圆的研磨层进行研磨的结构示意图；
图3为研磨液与抑制剂混合后对截止层进行研磨的结构示意图；
图4为停止向研磨垫中添加研磨液和抑制剂，晶圆的研磨层、截止层被研磨后的结构示意图；
图5为晶圆的研磨层、截止层被研磨前和研磨后的对比图；
图6为本发明化学机械研磨设备的***框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明的一个实施例中，提供了一种化学机械研磨设备，见图1，化学机械研磨设备包括转动的研磨台1、安装于研磨台1的研磨垫2、在研磨垫2的上表面转动的研磨头3，待研磨部件4安装于研磨头3，研磨垫2的上方设置有输送管道，本实施例中，输送管道包括两根：第一输送管道51、第二输送管道52，第一输送管道51、第二输送管道52的出口端均与研磨垫2的中部对应，输送管道分别用于输送研磨液和/或添加剂，本实施例中，第一输送管道51用于输送研磨液，第二输送管道52用于输送添加剂；本实施例中，待研磨部件为晶圆，晶圆的外表面设置有：第一介质层41、分布于第一介质层41下表面的第二介质层42，第一介质层41、第二介质层42分别为研磨层、截止层，添加剂为抑制剂，研磨液用于对研磨层进行研磨，抑制剂与研磨液共同作用，用于对截止层进行研磨。
第一输送管道51、第二输送管道52上分别安装有第一电磁阀、第二电磁阀，见图6，第一电磁阀、第二电磁阀均与控制器电连接；研磨垫2的底端与研磨台1的台面固定，研磨台1通过第一驱动装置驱动，研磨头通过第二驱动装置驱动，本实施例中，第一驱动装置、第二驱动装置分别为第一伺服电机、第二伺服电机，第一伺服电机、第二伺服电机均与控制器电连接。
化学机械研磨设备还包括终点检知***，终点检知***用于检测晶圆的截止层是否被研磨至预期平面，若被研磨至预期平面，则关闭第一电磁阀、第二电磁阀，停止输送研磨液、抑制剂。
一种提高化学机械研磨效率的方法，该方法应用了上述化学机械研磨设备，该方法为：向化学机械研磨设备的研磨垫2中分步添加研磨液、添加剂，对晶圆的不同介质层进行依次研磨的步骤包括：
S1、向研磨垫中添加研磨液，通过研磨液对研磨层进行研磨，见图2，具体地：通过控制器控制第一电磁阀打开，使研磨液通过第一输送管道51输送至研磨垫2内，此时，第二电磁阀处于关闭状态，通过控制第一电磁阀的打开程度控制研磨液的流量，向研磨垫内添加研磨液时，对研磨液的流量进行控制，使研磨液的流量与研磨头的转速、研磨台的转速、研磨层的膜厚匹配，其中，研磨台的转速为63 RPM，研磨头的转速为57RPM，研磨层的厚度为450nm，研磨层的材料为二氧化硅，根据上述数据，综合确定研磨液包括研磨颗粒CeO2、氨基酸，研磨液的流量为150ml/min~200ml/min，晶圆表面的研磨层有凸起部位，研磨层中的二氧化硅与研磨液中的氨基酸发生化学反应，生成一层相对容易去除的表面层，此表面层在研磨颗粒CeO2的压力作用下以及与研磨垫的相对运动中被机械地磨掉。
研磨层的研磨时间根据具体的研磨速率，结合平坦化厚度综合计算获得，具体地：预先对此研磨液进行试验片测试，通过测试研磨前后试验片（试验片即用于测试的晶圆）的氧化膜（即研磨层）厚度，计算出在只有氧化膜情况下，此研磨液每秒的氧化膜研磨速率V，设H为产品需要去除的氧化膜厚度，根据公式（H*70%）/V，计算出需要研磨的时间，其中，70%为研磨层被磨掉的厚度比例，该比例根据研磨速率、研磨液性质、研磨层性质及厚度，经多次实验获得，本实施例中在研磨层厚度H为450nm条件下，计算得出研磨层的研磨时间为2min。
S2、第一介质层研磨完成时（本实施例中指对研磨层研磨2min后），向研磨垫中添加抑制剂，见图3，使抑制剂与研磨液混合，形成混合液，通过混合液对第二介质层进行研磨，具体地：通过控制器控制第二电磁阀打开，使抑制剂通过第二输送管道52输送至研磨垫2内，此时第一电磁阀同时处于打开状态，研磨液与抑制剂同时输送至研磨垫2后混合，混合过程中，通过第二电磁阀的打开程度控制抑制剂的流量，对研磨液、抑制剂的流量进行控制，使研磨液、抑制剂的流量与研磨头的转速、研磨台的转速、截止层的膜厚等因素匹配，本实施例中，研磨台的转速为63 RPM，研磨台的转速为57RPM，截止层的厚度为40nm，截止层的材料为氮化硅，根据上述数据，综合确定多元醇选自乙二醇(EG)、1，2-丙二醇(1,2- PG)，抑制剂的流量范围为100ml/min~150 ml/min，截止层的研磨时间为30s。
根据不同材质的截止层在研磨液中添加添加剂（添加剂包括但不限于抑制剂），本实施例中，抑制剂使截止层不容易发生化学反应，从而保护截止层不容易被磨掉，降低了截止层的研磨速率，研磨速率的降低有利于更精确地控制截止层的研磨时间，防止了过研磨，本申请抑制剂为多元醇，氮化硅在PH<5的酸性环境下，表面会呈现带正电的现象，多元醇会容易吸附于其表面，减小研磨颗粒和氮化硅表面的接触概率，从而减小氮化硅的研磨速率。需要注意的是，前期研磨层研磨过程中只添加研磨液，相比于采用含有抑制剂的研磨液对研磨层进行研磨的方式，该研磨方式减少了抑制剂对研磨层的抑制作用，提高了研磨速率。
截止层的研磨时间通过终点检知***控制，截止层的研磨时间是在终点检知***检测到相应电流信号以后开始计算，根据计算结果确定固定的研磨时间，本实施例中研磨时间范围为10s~30s。当晶圆被研磨至截止层后，通过该终点检知***检测截止层是否被研磨至预期平面，若是，则发送信号给控制器，控制器根据该信号控制第一电磁阀、第二电磁阀、第一伺服电机、第二伺服电机停止，研磨完成，见图4。晶圆与研磨垫之间的摩擦系数（即研磨系数）随晶圆的研磨介质发生变化，当覆盖于晶圆表面的氧化膜（即研磨层）被去除以后，晶圆截止层的介质材料SIN与晶圆沟槽中的氧化膜同时与研磨垫对磨，其摩擦系数比单纯氧化膜与研磨垫之间的摩擦系数要大，这时研磨头驱动电机（即第二伺服电机）如要保持原有转速，就需要通过控制器控制第二伺服电机的驱动电流增大，因此，通过电流传感器检测驱动电流的变化就可以判断是否将完整覆盖的氧化膜去除，从而达到终点检测的目的，根据第二驱动装置的驱动电流，可以有效控制截止层的研磨时间，终点检知***的检测步骤包括：A1、通过电流传感器检测第二驱动装置的驱动电流；
A2、预先建立研磨系数与驱动电流的关系，确定电流阈值；
A3、当检测到的电流大于预先确定的电流阈值时，微处理器发送信号给控制器，控制器控制第二驱动装置停止，研磨头停止研磨，同时控制器控制第一电磁阀、第二电磁阀关闭，停止输送研磨液、抑制剂。终点检知***的设置，能够有效控制截止层的研磨时间，确保相应厚度的截止层被精确研磨，进一步防止了截止层被过研磨，提高了产品质量。
本申请方法，通过将研磨液和抑制剂分开投入的方式，有效提高了晶圆前期（即研磨层研磨过程中）平坦化处理的速率，与采用混合液进行研磨的方式相比，本申请研磨速率提高了约50%，前期研磨过程中无需添加抑制剂，因此，降低研磨材料消耗量，研磨液使用量能够降低33%，后期（即截止层研磨过程中）平坦化处理的速率不变，整体研磨时间降低了33%，从而降低了整个研磨过程的研磨速率，两方面都可以降低研磨晶圆的成本。本申请方法中研磨液的成分及使用量、研磨液与抑制剂的混合液的成分、比例及使用量，均根据研磨台的转速、研磨头的转速、研磨层材质、研磨层的膜厚等因素综合确定，确保了晶圆研磨的平坦化效果，并且通过第一电磁阀自动调节添加至研磨垫中的研磨液的量，通过第一电磁阀、第二电磁阀综合作用自动调节研磨垫中的研磨液与抑制剂的混合液的量，确保了研磨精度，进一步节约了材料，降低了投入成本。
以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提高化学机械研磨效率的方法，该方法基于化学机械研磨设备实现，所述化学机械研磨设备用于对待研磨部件的不同介质层进行研磨，所述不同介质层包括至少两层：第一介质层、分布于第一介质层下表面的第二介质层，所述第二介质层为截止层，所述化学机械研磨设备包括转动的研磨台、固定于研磨台顶端的研磨垫、在研磨垫上方转动的研磨头，待研磨部件安装于所述研磨头，所述研磨垫的上方设置有输送管道，其特征在于，所述输送管道包括至少两根：第一输送管道、第二输送管道，每个所述输送管道内安装有阀门，所述方法包括：向所述化学机械研磨设备的研磨垫中分步添加研磨液、具有抑制作用的添加剂，通过分步添加的研磨液、研磨液与添加剂的混合液，对待研磨部件的不同介质层进行依次研磨，所述第一输送管道用于输送所述研磨液，所述第二输送管道用于输送所述添加剂，所述阀门用于对所述研磨液、添加剂的输送顺序、流量进行控制；对所述待研磨部件进行依次研磨的步骤包括：S1、通过所述第一输送管道向所述化学机械研磨设备的研磨垫中添加研磨液，对所述第一介质层进行研磨；
S2、所述第一介质层研磨完成时，通过所述第二输送管道向所述研磨垫中添加所述添加剂，使所述添加剂与所述研磨液混合，形成所述混合液，通过所述混合液对所述第二介质层进行研磨；
所述阀门包括第一电磁阀、第二电磁阀，所述第一电磁阀、第二电磁阀分别安装于所述第一输送管道、第二输送管道，所述第一电磁阀、第二电磁阀均与控制器电连接，所述研磨台通过第一驱动装置驱动，所述研磨头通过第二驱动装置驱动；所述第一驱动装置、第二驱动装置均与所述控制器电连接；
所述化学机械研磨设备还包括终点检知***，所述终点检知***用于检测晶圆的截止层是否被研磨至预期平面，若被研磨至预期平面，则停止输送所述研磨液、抑制剂；所述终点检知***包括电流传感器，所述电流传感器分别与微处理器、第二驱动装置电连接，通过所述电流传感器检测所述第二驱动装置的驱动电流，根据驱动电流的变化情况判断是否研磨至所述晶圆的截止层的预期平面，具体判断方式包括：A1、通过电流传感器检测所述第二驱动装置的驱动电流；
A2、预先建立研磨系数与所述驱动电流的关系，确定电流阈值；
A3、当检测到的所述驱动电流大于预先确定的所述电流阈值时，所述微处理器发送信号给所述控制器，所述控制器控制所述第二驱动装置停止，所述研磨头停止研磨，同时所述控制器控制所述第一电磁阀、第二电磁阀关闭，停止输送所述研磨液、抑制剂。
2.根据权利要求1所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述研磨液添加时的流量为150ml/min~200ml/min，添加所述添加剂时的流量为100ml/min~150 ml/min。
3.根据权利要求1或2所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，所述研磨液包括研磨颗粒CeO2、氨基酸。
4.根据权利要求3所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，所述添加剂为抑制剂，所述抑制剂包括多元醇，所述多元醇选自乙二醇、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、新戊二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇、三羟甲基丙烷、甘油中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，所述第一介质层为研磨层，所述研磨层的厚度为400nm~500nm，所述研磨层的材料为二氧化硅，所述研磨层的研磨时间为2min。
6.根据权利要求5所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，所述截止层的厚度为40nm，所述截止层的材料为氮化硅，所述截止层的研磨时间为30s。
7.根据权利要求1或6所述的提高化学机械研磨效率的方法，其特征在于，所述第一输送管道、第二输送管道的出口端均对应所述研磨垫的中部。
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